2. Обзор литературы

2.1. Краткая история электролиза воды

Адриан Paets ван Troostwijk, 1752.-1837., И Йохан Рудольф Deiman, 1743.-1808., В то время как с помощью лейденской банки и мощный электростатический генератор заметил выделение газа на электродах воды электролизера в результате искры overjumping в электростатический генератор.В выделяемые газы перемещенных воду из лейденской банки во время эксперимента и искры прыгнул в собранной газовой смеси создания взрыв. Исследователи решили, что они разлагают воду на водород и кислород в стехиометрическом соотношении 2:01; они опубликовали результаты в 1789 году, который считается годом открытия электролиза воды ( Zoulias ET все, 2002 ; De Levie, 1999 ). В более что сто лет, в 1902 году насчитывалось более 400 промышленных электролизеров, используемые во всем мире, но в 1939 году первое крупное воды электролизный завод был введен в эксплуатацию с производства водорода мощностью 10 000 Нм3 / ч ( Zoulias др. все, 2002 ) . Электролизеров высокого давления были произведены в 1948 впервые; в 1966 году General Electric построила первый систему электролиза с твердым электролитом и в 1972 году был построен первый твердый оксид высокотемпературный электролизер. Однако развитие электролиза устройств в процессе настоящее время, а вместе с развитием протонной обменной мембраной, которая может быть использована в водных электролизеров и топливных элементов, наряду с развитием высокотемпературных твердооксидных электролизеров Аналогично оптимизации щелочных электролизерах ( Kreuter Вт, и Hofmann H (1998 ).

2.2. Постоянный ток электролиза воды

При растворении кислоты в воде (например, серной кислоты), молекулы воды и кислоты диссоциируют на ионы. То же самое происходит, если щелочь (например, KOH), растворяют в воде, раствор диссоциирует на ионы, создавая ионный проводник или электролит. Там была сформирована в ионный проводник, где постоянный ток будет передана через. Процессы, происходящие на электродах в случае серной кислоты - положительный гидроксония ионы Н 3 О+ (катион) движутся в сторону отрицательного электрода. Когда катионы достичь электрод, они получают недостающие электроны ( Zoulias др. все, 2002 ):

2 Н3О++ 2 е ⇒ H2+ 2 H2О

Опции

Водород получают в виде газа из среды, в свою очередь, вода диссоциирует на ионы снова.Реакционную на анода или положительного электрода в щелочной среде ( Zoulias др. концов, 2002 ):

2 О Н-- 2 е ⇒ 12О2+ Н2О

Опции

Кислород развивается как газ, но вода диссоциирует на ионы снова. Там производятся три части объема газообразного вещества в процессе, описанном - две части водорода и одного - кислорода. В случае щелочного электролита есть поляризованные молекулы воды, которые имеют свои атомы водорода, ориентированные на электроде, вблизи катода и диссоциации имеет место реакция:

2 Н2О + е ⇒ 2 O H-+ Н2

Опции

Первый закон термодинамики для открытой системы говорится, что:

Вопрос - W с = DH

Опции

где Q является количество тепла подается в систему, Вт с количество соответствующей работы, выполняемой системой и ΔH является изменение энтальпии системы. Работа, проделанная электричество используется в электролизер, поэтому W с является:

W с =-NFe

Опции

где:

н - количество переданных электронов;

F - постоянная Фарадея: = 23074 кал / вольт . г-эквивалентно;

E - электрический потенциал клетки в вольтах.

Использование уравнения (5) , преобразуем выражение (4), в результате чего:

E= Δ H- Qн F

Опции

В обратимого процесса изотермического (без потери) Q является:

Вопрос ATG = TΔS

Опции

где Т -абсолютная температура и ΔS является изменение энтропия системы. Из (6) и (7) величина обратимой реакции потенциала получается, когда невозможно для разложения воды на водород и кислород в реальном времени:

Eг е V= Δ H- ТΔ Sн F

Опции

(H - ΔS) является изменение свободной энергии Гиббса ΔG . При нормальной температуре и давлении ((25 O температуры C и давлении в 1 атм) ΔH равна 68 320 кал / гмоль и ΔG равна 56690 кал / гмоль Поэтому обратимый потенциал клетки.:

Eг е V= Δ Gн F= 56 , 6902 ( 23 , 074 )= 1 , 23 V

Опции

Потенциал где Q равна нулю и поставляется энергия трансформируется в энергию химических связей, называется термо-напряжение нейтрали ( Олдхэм и Myland, 1993 ; Бокриса и Поттер, 1952):

Eт ч е т м о= Δ Hн F= 1 , 48 V

Опции

Напряжение для расщепления воды на практике электролиза устройств выше, чем термо-нейтральным напряжения ячейки должным преобразования в тепло, которое нагревает ячейку.Поэтому промышленный электролизер требуется дополнительное охлаждение, и значение напряжения постоянного тока определяется:

Е = Е об потеря + (11)

Опции

где

Потеря = Е анод + E катод + E т + IR

Опции

В уравнении (12) E анода - активация перенапряжения анода; E катод - активация перенапряжения катода; E т - перенапряжение массопереноса и ИК - активная перенапряжения (включает сопротивление в электролите, на электродах, приводит). Плотность тока должна быть выше, чем 100 мА / см 2 в промышленных электролизерах, поэтому напряжение, приложенное к отдельной клетки частично переходит в тепло, став типичным потеря постоянного тока электролиза воды.

Можно написать выражение для КПД электролиза воды, рассчитанный по отношению к термо-нейтральным напряжения, используя отношения выше (Бокриса и Поттер, (1952):

η= Δ HΔ G + л о с ы= Eт ч е т м оE

Опции

При ΔG отрицательна, реакции спонтанны и работа была проделана по высвобождая энергию. ПриΔG положительна, для реакции произойдет внешней работы должны быть использованы. Что касается обеспечения реакцию, работа должна быть сделана, вода электролизер не работает спонтанно. Реакционную в топливных элементах спонтанно из-за катализатора в процессе реакции и энергия выделяется ( Salem, 2004 ).

Водород Evolution Reaction (HER) является одним из наиболее широко изучены реакции в электрохимии. Исследования НЕЕ осуществляются в различного рода систем и следующих друг за другом процессов делится ( Салем, 2004 ; Гейровский 2006 ; Мерфи, 1983; Бокриса, 1957 ; Эль-Meligi, 2009; Сасаки и Мацуда, 1981 ; Ноэль и ВАСУ, 1990 ; Kristalik, 1965): Volmer стадия электрохимического разряда, Гейровский электрохимический стадию десорбции, Tafel каталитического шаг рекомбинации. Каждый из шагов может быть реакцией ограничение шаг в определенной системе в течение всей реакции. Это означает, что каждый шаг может иметь разную скорость реакции, а самый медленный шаг будет определить скорость реакции. Перенос заряда может начаться, когда реагент находится рядом с электродом. Два наиболее типичные шаги перенос заряда заканчивая адсорбции атома водорода, и рекомбинация адсорбированных атомов с следующего десорбции H 2 молекулы.

Общее уравнение электрохимической реакции связывает ток с потенциалом ( Ноэль и ВАСУ, 1990 ):

яс= я⃗ - я←= я0[ ехр ( - βА пFR T) - ехр ( ( 1 - β) А пFR T) ]

Опции

β является фактором симметрия (0, ½, 1 для процесса без активации, нормальный процесс, и для инвалидов по зрению процесс соответственно).